《科学》重磅：科学家首次发现，肿瘤竟会将中性粒细胞的寿命延长3倍，使其成为促进血管生成的“长工”丨科学大发现

2024-01-22

免疫疗法

*仅供医学专业人士阅读参考在固若金汤的实体瘤面前，免疫细胞始终是弱小的一方。去年8月份，美国范德堡大学的研究人员发现，杀伤性T细胞竟然在接触肿瘤后的6-12小时内就能发生耗竭[1]。去年年底，以色列魏茨曼科学研究所的一项研究表明，NK细胞入瘤24小时之内，就失去了抗肿瘤活性；而巨噬细胞入瘤后48小时之内就会被肿瘤策反，发挥促进肿瘤生长的作用[2]。近日，由新加坡科技研究局（A*STAR）的Melissa S.F. Ng和A*STAR及上海交通大学医学院附属仁济医院-上海市免疫治疗创新研究院的Lai Guan Ng（黄来源）领衔的研究团队，在顶级期刊《科学》上发表一项重磅研究成果[3]，深入阐述了瘤内中性粒细胞的命运。他们首次发现，中性粒细胞在进入肿瘤之后，在一天之内就会被肿瘤重编程成为超级长寿的促癌亚型。具体来说，在肿瘤的调教下，此类中性粒细胞的寿命达到循环中性粒细胞的4倍以上，而且它们还不惧低氧和缺乏营养的环境，聚集在肿瘤核心区域附近，表达高水平的血管内皮生长因子α（VEGFα），促进肿瘤核心区域血管的形成，为肿瘤提供养分，促进肿瘤的生长。A*STAR的Melissa S.F. Ng、Immanuel Kwok和Leonard Tan，及上海交通大学医学院附属仁济医院-上海免疫治疗创新研究院的史长明为研究论文的共同第一作者。论文首页截图作为最积极、最强力的免疫细胞之一，中性粒细胞总会在第一时间赶到“案发现场”。然而，在癌症这种疾病类型中，科学家很早就发现，肿瘤中浸润的中性粒细胞与患者的预后较差有关[4]。它甚至被认为是一种促进癌症进展的免疫细胞类型[5]。不过，中性粒细胞促进肿瘤进展的原因，科学家仍知之甚少。为了搞清楚中性粒细胞为何会促进肿瘤进展，又是如何促进肿瘤进展的，黄来源团队以胰腺癌为研究模型，采用单细胞转录组和具有空间分辨率的多组学方法，深入研究了胰腺癌里中性粒细胞的变化、分布及功能。从单细胞RNA测序（scRNAseq）结果来看，在中性粒细胞发育和循环的组织中，它有一条单一的变化轨迹。肿瘤组织中的中性粒细胞却不太一样，它们获得了独特的转录谱，并形成了三个不同的亚群（T1、T2和T3）。从转录组特征来看，T1中性粒细胞的成熟度与未成熟中性粒细胞相当，而T2中性粒细胞的成熟度与成熟中性粒细胞相当。而且T1和T2中性粒细胞沿着肿瘤特异性分支发展，并往成熟度介于T1和T2之间的T3亚群汇聚。这意味着，T3亚群可能是T1和T2分化的终期阶段。瘤内中性粒细胞的发展轨迹值得注意的是，转录组学数据还显示，T3中性粒细胞中，与缺氧、糖酵解和血管生成有关的基因（如Vegfa和Hk2等）表达上调，染色质可及性增加。而其他组织中的中性粒细胞没有这些转录组特征。基于以上研究结果，研究人员认为，浸润肿瘤的中性粒细胞无论处于哪个成熟阶段，都能被肿瘤微环境重新编程，转录和染色质的发展轨迹趋向于独特的T3状态。接下来黄来源团队评估了是否能通过蛋白质表达来区分这三个亚群。结果发现，仅需要CD101和dcTRAIL-R1这两个蛋白即可。CD101阳性属于成熟的中性粒细胞，CD101阴性属于未成熟的中性粒细胞；而免疫调节或抑制标志物dcTRAIL-R1则是T3中性粒细胞的象征。如此一来，T1中性粒细胞就是CD101和dcTRAIL-R1双阴性，T2是CD101阳性和dcTRAIL-R1阴性。基于蛋白标志物的分类方法搞清楚瘤内中性粒细胞的特征之后，就需要弄清楚它们的分布和功能了。从前面的转录组数据来看，T3中性粒细胞表现出明显的细胞应激和生存途径特征，包括对缺氧、氧化应激和糖酵解的反应。此外，T3中性粒细胞还富集了血管生成基因，包括Vegfa、Thbs1和Lgals3。黄来源团队认为，这些数据表明T3不仅适应了肿瘤环境，还具有很强的促瘤作用。从空间转录组数据来看，与T1和T2相比，T3中性粒细胞在肿瘤中糖酵解、缺氧和血管生成的高分区域（肿瘤核心的坏死区域，也是肿瘤最需要营养的区域）出现的频率更高。T3明显靠近肿瘤核心，T1和T2更多地分布在肿瘤外缘结合一开始得到转录组数据，肿瘤把T3中性粒细胞弄到核心部位的目的昭然若揭。肿瘤让被“黑化”的中性粒细胞促进核心部位长出血管，为肿瘤深处输送氧气和养料，进而促进肿瘤的生长。共注射实验证实了转录组数据得出的结论。与T1和T2相比，将T3与癌细胞共同注射到小鼠体内，更能促进肿瘤长血管。换句话说，T3中性粒细胞促进血管生成的能力最强。血管生成能力比较在了解肿瘤“黑化”中性粒细胞的时间轨迹的时候，黄来源团队发现，T3重编程在进入肿瘤时就已经开始了。而且他们还发现，入瘤后的中性粒细胞寿命可以长达135个小时（近6天），是中性粒细胞在血液中半衰期（31小时）的超4倍。值得注意的是，一旦中性粒细胞被重编程为T3中性粒细胞，即使它们摆脱了肿瘤也不会恢复原来的表型。简单来说，中性粒细胞进入肿瘤之后，肿瘤就开始重编程中性粒细胞，dcTRAIL-R1表达逐渐上调，逐渐往T3型发育。在拥有超级长寿的T3中性粒细胞之后，肿瘤会将它们安排到高度缺氧的核心区域，让T3诱导核心区域长出血管，进而达到促进肿瘤生长的目的。机制示意图在研究的最后，黄来源团队T3中性粒细胞存在的广泛性，以及临床应用价值。他们发现，肿瘤中性粒细胞的重编程在不同肿瘤类型中是一致的，T3中性粒细胞代表了终末分化的肿瘤中性粒细胞。基于来自癌症基因组图谱（TCGA）和国际癌症基因组联盟胰腺癌-澳大利亚（PACA-AU）的两个独立胰腺癌队列数据，他们还发现T3中性粒细胞特征高表达的患者总生存期（OS）较差，且不受患者性别、年龄和肿瘤分期等潜在混杂因素的影响。此外，在其他多种癌症类型中，T3中性粒细胞特征高表达也与患者的死亡风险升高有关。T3特征与不同癌症类型预后的关系总的来说，黄来源和Melissa S.F. Ng领衔的这项研究，系统地探索了肿瘤内中性粒细胞的“黑化”过程。他们发现无论是成熟还是未成熟的中性粒细胞，只要进入肿瘤就会被重编程成为T3终末态中性粒细胞，随后聚集在缺氧和高糖酵解特征的肿瘤核心区域，促进血管生成，支持肿瘤生长。这一发现让我们对中性粒细胞的促瘤作用有了更深入的认知，为靶向中性粒细胞的免疫疗法的开发提供了新思路。参考文献：[1].Rudloff MW, Zumbo P, Favret NR, et al. Hallmarks of CD8+ T cell dysfunction are established within hours of tumor antigen encounter before cell division. Nat Immunol. 2023;24(9):1527-1539. doi:10.1038/s41590-023-01578-y[2].Kirschenbaum D, Xie K, Ingelfinger F, et al. Time-resolved single-cell transcriptomics defines immune trajectories in glioblastoma. Cell. doi:10.1016/j.cell.2023.11.032[3].Ng MSF, Kwok I, Tan L, et al. Deterministic reprogramming of neutrophils within tumors. Science. 2024;383(6679):eadf6493. doi:10.1126/science.adf6493[4].Gentles AJ, Newman AM, Liu CL, et al. The prognostic landscape of genes and infiltrating immune cells across human cancers. Nat Med. 2015;21(8):938-945. doi:10.1038/nm.3909[5].Bronte V, Brandau S, Chen SH, et al. Recommendations for myeloid-derived suppressor cell nomenclature and characterization standards. Nat Commun. 2016;7:12150. doi:10.1038/ncomms12150本文作者丨BioTalker